Study of avocado (Persea americana Mill.)
physiological responses to different soil water-toair ratios and the transmission of root-to-shoot
electrical signals in response of soil water deficit
and root hypoxia.
Pilar Macarena Gil Montenegro
2008
Pontificia Universidad Católica de Chile
Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal
Study of avocado (Persea americana Mill.) physiological responses to
different soil water-to-air ratios and the transmission of root-to-shoot
electrical signals in response of soil water deficit and root hypoxia.
Pilar Macarena Gil Montenegro
Tesis
para optar al grado de
Doctor en Ciencias de la Agricultura
Santiago, Chile, Junio 2008
Tesis presentada como parte de los requisitos para optar al grado de
Doctor en Ciencias de la Agricultura, aprobada por el
Comité de Tesis
_____________________
Prof. Guía, Dr. Luis Gurovich
__________________
Prof. Dr. José Antonio Alcalde
___________________
Prof. Dr. Gabriel Sellés
Santiago, 16 de junio de 2008.
No hay que confundir nunca el conocimiento con la sabiduría…el primero nos
sirve para ganarnos la vida, la sabiduría nos ayuda a vivir
Sorcha Carey
Le dedico esta tesis con todo mi corazón
a mi esposo Andrés, a mis padres…
y especialmente a mi hijito Alfonso y todos los hijos que vengan, ya que en
gran parte son la razón de haber realizado este doctorado.
Agradecimientos
Es difícil agradecer en esta instancia a todas las personas e
instituciones que me ayudaron en esta tesis de doctorado, sin
olvidarme de alguien, pues fueron muchas las ayudas que recibí.
Trataré de que nadie quede fuera.
En primer lugar, debo agradecer a la Dirección de Investigación y
Postgrado de la Facultad de Agronomía e Ingeniería Forestal de la
Pontificia Universidad Católica de Chile, por darme la posibilidad de
entrar al programa de Doctorado en Ciencias de la Agricultura; a la
Comisión Nacional Científica y Tecnológica (CONICYT) por su ayuda
financiera mediante la beca de Doctorado que me otorgaran desde el
año 2005 al 2008; a la Vicerrectoría Adjunta de Investigación y
Postgrado de la Pontificia Universidad Católica de Chile (VRAID, ex
DIPUC) por su Beca de Ayudante Becario que financió mi primer año
en el programa, y al Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA),
mi institución de origen, en la cual realicé gran parte de esta tesis de
Doctorado.
Ahora viene la parte difícil, y es nombrar a todas las personas que con
su amistad, conocimiento y buena voluntad apoyaron mi paso por este
Doctorado, y especialmente por mi tesis. Debo agradecer a mi
profesor guía Dr. Luis Gurovich, por su apoyo y tutoría durante todo el
programa, así como también por la confianza y fe que él depositó en
mí desde el principio hasta hoy. También debo agradecer a los
profesores que son parte de mi comité de Tesis, José Antonio Alcalde
y Gabriel Sellés, por su siempre buena disposición a conversar y estar
presente en todas las instancias que les pedí; a mi colega, amigo y
primer jefe en INIA, Raúl Ferreyra, por permitirme realizar gran parte
de mi tesis en uno de sus proyectos financiado por INNOVA-CORFO,
junto con enseñarme gran parte de la metodología y conceptos
utilizados en varios ensayos de esta tesis; a los profesores Rodrigo
Iturriaga de la Facultad de Ciencias Biológicas de la Pontificia
Universidad Católica de Chile y Julio Alcayaga de la Facultad de
Ciencias, Universidad de Chile, por orientarme en el tema de la
neurobiología y permitirme trabajar en sus laboratorios. Al Dr. Bruce
Schaffer, de la Universidad de Florida, EEUU, hoy mi gran amigo,
quien a poco tiempo de conocer en una pasantía que realicé en
Florida, me demostró que el trabajo duro es una virtud que permite
crear amigos en otros lugares del mundo, sin importar en qué lugar de
la pirámide del conocimiento éstos se encuentren; él ha sido sin duda
mi gran apoyo en esta última etapa de mi tesis, y le debo gran parte
estar en estas últimas instancias.
En el largo paso por la tesis de doctorado recibí la ayuda
desinteresada de muchos amigos, entre los cuales debo nombrar a
Patricio Maldonado, José Miguel Celedón, Cristián Barrera y Carlitos
Zúñiga, todos colegas y ex colegas de INIA, con quienes pasamos
muchas tediosas mediciones a medio día, muchas veces en compañía
de una bebida y un santuchito para matar el hambre. También debo
nombrar a aquellos colegas que me ayudaron facilitándome el uso de
los laboratorios que tienen a cargo, como fueron Reinaldo Campos y
Bruno Defilippi, ambos colegas de INIA La Platina, y Eduardo
Oyanedel, de la Facultad de Agronomía de la Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso. Junto con el uso de laboratorios ajenos,
aparecieron otras manos ayudantes a las cuales debo agradecer: ellos
son Paulina Arias del Laboratorio de Neurobiología de la PUC, Marisol
Pérez del laboratorio de Postcosecha de INIA La Platina, Paulina
Naranjo y Claudio López del laboratorio de Postcosecha de la PUC,
Raúl Eguiluz del laboratorio de suelo de INIA La Platina, Chunfang Li y
Michael Gutiérrez del laboratorio de Ecofisiología, TREC, Universidad
de Florida.
También debo mi agradecimiento a muchas personas que me
ofrecieron una mano en mediciones, instalaciones, etc, entre los que
debo nombrar a don Vernie, José Montenegro, Renato Rojas y Jorge
Alfaro, todos técnicos de INIA La Cruz; también a Cristóbal Gentina,
María José Pino, Tomás Gallardo y Nicolás García, tesistas,
practicantes y estudiantes de pregrado que me ayudaron en muchas
mediciones.
Debo mi agradecimiento también a amigos especiales que me dieron
su ayuda en algún momento de mi tesis y/o también su apoyo moral
en los momentos complicados que nunca faltan al cursar un
Doctorado; entre estos amigos puedo nombrar a Ximena Álvarez,
Claudia Bonomelli, Cecilia Norambuena, Daniel Villegas, José Tomás
Matus, Isauro Aguilera, Denise Donnay, Paulina Sabbagh, Claudia
Fassio, Fiona Ramella.
Por último, agradezco a mi esposo, mis padres, mi abuelita Lidia, mis
tías Teresa y Lucía y mi prima Natalia, quienes me apoyaron en esta
etapa de mi vida, admitiéndome en sus casas de Santiago, en el caso
de mi abuela, tías y prima, y dándome el enorme apoyo moral y
emocional que involucra estudiar de nuevo, en el caso de mi esposo y
mis padres.
A todos quienes nombré, y a los que olvidé nombrar quiero decir de
todo corazón:
¡¡Muchas Gracias!!
Content Index
Chapter 1
Introduction………..............................…………………………………………………..1
Chapter 2
Original article. Effect of the soil water-to-air ratio on water
status, net CO2 assimilation, biomass and vascular
anatomy of avocado trees…………………..................................................……….14
Chapter 3
Research note. Effect of waterlogging on plant water status,
leaf gas exchange and biomass of avocado…………………….……......................80
Chapter 4
Original article. Effect of hydrogen peroxide injection into heavy
loam clay soil on plant water status, net CO2 assimilation,
biomass and vascular anatomy of avocado trees………….…..............................100
Chapter 5
Original article. Root to leaf electrical signaling in avocado in
response to light and soil water content………….............................………….….135
Chapter 6
Original article. Electrical signaling, stomatal conductance, ABA
and ACC content in avocado trees in response to drought or root
hypoxia………………......................................................................................…..165
Chapter 7
Concluding remarks…………............................…….………….…..…………….…210
Attachments………………………………………………….....…..………………..214
Figure Index
Chapter 2
Figure 1. Illustration of a treatment block showing the different soil
water-to-air ratio of each soil………….....................……………………….…….…..66
Figure 2. Volumetric soil water content at a 30-cm soil depth……….………......…68
Figure 3. Relationship between the soil water – to – air ratio
and the oxygen diffusion rate in the soil…………….………………................……..69
Figure 4. Avocado tissue dry weight at the end of the experiment…………..……..70
Figure 5. Avocado root density at the end of the experiment……………....……….71
Figure 6. Avocado leaf area index at the end of the 2005/2006 season……......…72
Figure 7. Avocado leaf area and leaf area index at the end of the
2006/2007 season….........................................................................................…..73
Figure 8. Average leaf size at the end of the 2006/2007 season…….…......…...…74
Figure 9. Length of spring shoots in December, January
and March of season 2006/2007............................................................................75
Figure 10. Number of leaves remaining on autumn shoots in
December, January and February of 2006/2007…...……………………………..…76
Figure 11. Number of flowers and fruit per tree at the
end of the 2006/2007 season……….......................................................................77
Figure 12. Vascular anatomy of root and shoot tissue………….......…………….…79
Figure 13. Vapor pressure deficit during the 2005/2006
and 2006/2007 seasons………...........................................................................…79
Chapter 3
Figure 1. Effect of flooding in stomatal conductance (gs), transpiration
(T), net CO2 assimilation (A), stem water potential (SWP) and
soil redox potential of ‘Beta’ avocado trees and vapor pressure
deficit (VPD) during the experiment…………….….................................................95
Figure 2. Effect of flooding in stomatal gs, T, A, SWP of ‘Hass’
avocado trees and soil redox potential and vapor pressure
deficit (VPD) during the experiment………………………...............................….…96
Figure 3. The effect of flooding on leaf dry weight of ‘Beta’
and ‘Hass’ avocado…………...............................................................................…97
Figure 4. The effect of flooding on root dry weight of ‘Beta’
and ‘Hass’ avocado…………...............................................................................…97
Figure 5. Relationship between stomatal conductance (gs)
and the percentage of open stomata…………....…………………………………….98
Figure 6. View of stomatas impressions after gs measurement
(400 x)……………….....................................................................................……...98
Figure 7. Relationship between SWP and gs of flooded
plants………………………….........................................................................……..99
Chapter 4
Figure 1. Experimental set up to test the effects of H2O2 injection
into the soil on avocado trees…………...........……………………………………..128
Figure 2. Volumetric soil water content at a soil depth of 30
cm during the experimental period……..…………………………………………….129
Figure 3. A) Oxygen diffusion rate averaged from 3 measurement
dates and B) CO2 and O2 soil content averaged from 2
measurement dates…………………………………………….................................130
Figure 4. Avocado plant dry weight at the end of the experiment…………...……131
Figure 5. Leaf area at the end of the experiment…………………………………...132
Figure 6. Water use efficiency obtained from total biomass……….………….......133
Figure 7. Anatomical differences in root and shoot vascular tissue…...……........134
Chapter 5
Figure 1. Schematic diagram of the setup for the digital
acquisition of the recorded extracellular voltage difference
between the leaf petiole and the base of the stem (∆VL-S)....................................158
Figure 2. Voltage difference recorded between the leaf petiole
and the base of the stem (∆VL-S) in 8 control plants during 80 min.....….…...…...159
Figure 3. Voltage difference recorded between the leaf petiole
and the base of the stem (∆VL-S) in 8 plants in darkness for 20 min,
and in 8 plants in artificial light for 20 min…….....………………………...………..160
Figure 4. Voltage difference recorded between the leaf petiole
and the base of the stem (∆VL-S) in 8 plants after irrigation for 72 min
and in 8 plants subjected to root desiccation for 72 min …......……………………161
Figure 5. Effects of different treatments on the voltage difference
recorded between the leaf petiole and the base of the
stem (∆VL-S)………………………………………………….............................……..162
Figure 6. Linear correlation between ∆VL-S maximum
difference (∆mV) and stomatal conductance difference
(∆gs) in the soil drying treatment…………………………......................……….….163
Figure 7. Comparison of ∆VL-S differences in irrigated girdled
plants and irrigated non-girdled plants…….....………………………………….…..164
Chapter 6
Figure 1. A: Experiment 1: Schematic diagram of the digital
acquisition system for recording extra-cellular voltage difference
between the leaf petiole and the base of the stem (∆VL-S)
in ‘Mexicola’ avocado trees. B: Experiment 2 and 3: Schematic
diagram of the digital acquisition system for recording voltage
differences between the base of the trunk and the leaf zone
(∆Vl-b) in ‘Hass’ avocado trees……………………………….…..……………………202
Figure 2. Experiment 1. A: Voltage difference (∆VL-S) (Raw value)
at 10 min intervals from treatments impose. B: Voltage
difference (∆VL-S) (Absolute value) at 10 min intervals
from treatments impose………………………………………………….........………203
Figure 3. Experiment 1. A: Voltage difference between the
leaf petiole and the base of the stem (∆VL-S) of 5 control
plants for 90 min. B: ∆VL-S of 5 plants in the hypoxia
treatment from 5 to 90 minutes. C: ∆VL-S of 5 plants in the drought
treatment from 15 to 90 minutes..................................................................……..204
Figure 4. Experiment 1. Voltage (∆VL-S) and oxygen partial
pressure (KPa) in the control and hypoxia treatments………...……………...……205
Figure 5. Experiment 2. A: Voltage difference between the base
of the trunk and the canopy of the tree (∆Vl-b) in 5 plants
in the control treatment and B: 5 plants in the drought
treatment for 68.5 h…………………………………............…………………………206
Figure 6. Experiment 2. A: Robust linear regression between ∆Vl-b
Maximum Difference (∆Vl-b Difference) and the change in
stomatal conductance from the beginning to end of the treatment
period (∆gs) of plants in the drought treatment. B: Robust
linear regression between absolute value of ∆Vl-b Maximum
Difference (Abs ∆Vl-b Difference) and ∆gs of plants in the drought treatment.…..207
Figure 7. Experiment 3. A: ∆Vl-b in 5 control plants and B: ∆Vl-b in
5 plants in the hypoxia treatment for 14 days………………………..…………...…208
Figure 8. Experiment 3. A: Soil Oxygen Diffusion Rate (ODR) during
the experimental period. B: Leaf ethylene concentration ( mol mol-1),
C: the number of abscised leaves, and, D: Stomatal conductance
of plants in the hypoxia and control treatments measured
at 3-day intervals during the experimental period……………………....................209
Table Index
Chapter 2
Table 1. Texture class and composition of five soil treatments…...………….…….61
Table 2. Physical characteristics of five different soil treatments..…….……......….61
Table 3. Average soil water content, air content and water/air
ratio of five different soils........................................................................................61
Table 4. Average soil water content, soil air content and water/air
(W/A) ratio of five different soil treatments (Tmt) during the
entire experimental period………………………………....................................……62
Table 5. Effect of treatments on soil oxygen diffusion and CO2
and O2 concentrations…........................................................................................62
Table 6. Percentage of days with soil air content below the
critical level (<17%)……..............................................................................………62
Table 7. Effect of treatments on water relations of avocado plants
during 2005/2006…..........................................................................................…...63
Table 8. Effect of treatments on water relations of avocado
plants during 2006/2007…...............................................................................…...63
Table 9. Effect of treatments on CO2 assimilation and instantaneous
plant water use efficiency.................................................................................…...64
Table 10. Effect of treatments on plant water use efficiency
expressed as total plant matter produced in relation
to the amount of water applied…………………………….................……………….64
Table 11. Effect of treatments on root and shoot vascular anatomy……….....…...64
Table 12. Effect of treatments on leaf xylem sap ABA and
root ACC content…………..............................................................................…....65
Table 13. Effect of treatments on macronutrients, Mn content
and C content………....................................................................................………65
Chapter 4
Table 1. Physical characteristics of heavy loam clay soil…………………………127
Table 2. Effect of H2O2 injection into heavy clay loam soil at field
capacity on water relations and physiological variables of
avocado plants…………………………………………….................................…...127
Table 3. Effect of the H2O2 injection to heavy clay loam soil at field
capacity on root and shoot vascular anatomy……...………………………………127
Chapter 5
Table 1. Effect of dark, light, soil drying and soil wetting on
the root to leaf voltage difference in avocado plants……....……………………….157
Table 2. Stomatal conductance difference after treatments were imposed…...…157
Chapter 6
Table 1. Experiment 1. Effects of root hypoxia and drought
on the absolute maximum voltage difference between the leaf
petiole and the base of the stem (Abs ∆VL-S), the change in
stomatal conductance from the beginning to the end of the treatment
period (∆gs) and root ACC concentration……………........................…………….199
Table 2. Experiment 2. Effect of drought on maximum voltage
difference between the leaf zone and the base of the
trunk (∆Vl-b Maximum Difference), absolute value of maximum
voltage difference between the leaf zone and the base of the
trunk (Abs ∆Vl-b Maximum Difference) and the change in
stomatal conductance from the beginning to the end of the
treatment period (∆gs)…………………………………………...........………………200
Table 3. Experiment 3. Effect of root hypoxia treatment on
maximum voltage difference between the leaf zone and the
base of the trunk (∆Vl-b Maximum Difference), absolute value
of maximum voltage difference between the leaf zone and
the base of the trunk (Abs ∆Vl-b Maximum Difference (mV))
and the change in stomatal conductance from the beginning
to the end of the treatment period (∆gs)…………………………….................……201